Привод Советский патент 1981 года по МПК G05B11/01 

(54) ПРИВОД

Изобретение относится к автомати |ке и приборостроению и может быть использовано в качестве привода гониометра в электронном микроскопе. Известен шаговый пьезопривод, содержащий электрострикционный шаговый двигатель, движущий элемент которого снабжен измерителем приращения и сто порными устройствами, и источник питанияИз известных устройств по технической сущности наиболее близким является пьезопривод, содержащий первый ключ, первый вход которого соеди нен с источником постоянного напряже ния, а выход - с первым входом испол нительного механизма, первый триггер выход которого соединен с первым вхо дом первого элемента ЗИ, второй вход которого соединен с выходом одновибратора, третий вход - с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выход через второй элемент ЗИ соединен с входом задатчика и непосредственно с входом преобразователя кода, первый выход которого через первый преобразователь код-напряжение соеди нен с вторым входом исполнительного механизма, а второй, третий, четвертый и пятый выходы соединены с соответствукидими входами элемента 2И-2ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента ЗИ 2. Погрешностью известного привода является его низкая точность и отсутствие возможности применения его.в реверсивной шаговой системе с шагом, заданным зубчатым эвеном (рейкой, шестерней). Целью изобретения является повышение точности привода и расширение его функциональных возможностей. Достигается это тем, что в пьезоприводе установлены элемент 3 ИЛИ, последовательно соединенные коммутатор, элемент 2 И, второй триггер и третий элемент 3 И и последовательно соединенные второй преобразователь код-напряжение, второй ключ, блок памяти и- нуль-орган, второй вход которого через вторюй преобразователь код-напряжение соединен с первым выходом преобразователя кода, а выход с вторым входом элемента 2 И, второй вход третьего элемента 3 И соединен с выходом коммутатора, третий вход с выходом первого триггера, а выход с вторым входом первого ключа и третьим входом второго элемента 3 И, выход задатчика соединен с одним из

входов элемента 3 ИЛИ, выход которог соединен с вторыми входами второго ключа и второ1 о триггера и первым входом первого .триггера, второй вход которого соединен с третьим входом второго триггера, выход которого соединен с входом одновибратора, шестой и седьмой выходы преобразователя кода соединены с соответствующими входами коммутатора.

Блок-схема устройства представлена на чертеже. ,

В ее состав входит генератор прямоугольных колебаний 1, одновибратор 2, первый и второй триггеры 3 и 4, первый, второй й-третий элементы 3 И 5, 6 и 7, исполнительный механизм 8, движущий пьезоэлемент 9, стопорный пьезоэлемент 10, преобразователь кода 11, элемент 2И-2ИЛИ 12, блок памяти 13, первый и второй ключи 14 и 15, нуль-орган 16, первый и второй преобразователи код-напряжение 17 и 18, коммутатор 19, элемент 3 ИЛИ 20, элемент 2 И 21, задатчик22,источник постоянного напряжения

23,клемма 24 установки исходного состояния, клемма стоп 25, клемма пуск 26, исполнительный орган 27.

Для правильной работы пьезопривода необходимо, чтобы вспомогательный преобразователь код-напряжение 1 имел линейную характеристику. В то время, как основной преобразователь код-напряжение 17, к выходу которого подсоединен движущий пьезоэлемент 9, имеет неодинаковый вес младших и старших разрядов, сообразно с нелинейностью механической характеристики пьезоэлемента 9. Существенной особенностью преобразователя кода 11 является то, что его заполнение и сбро начинаются с одних и- тех же разрядбв. Это позволяет обойтись без специальных мер при компенсации петли гистерезиса в механической характеристике пьезх элемента 9, поскольку достаточно задать соответствующий вес разрядам в преобразователе коднапряжение 17. Пьезоэлементы 9 и 10 выполнены из стандартной пьеэокерамики ЦТС-19 склейкой двух пластин в биморфный пакет. Гистерезис таких пакетов достигает 30%. Поэтому упомянутые меры неизбежны.

Предлагаемый пьезопривод работает следующим образом.

Для установки пьезопривода в исходное состояние, на клемму 24 подается импульс напряжеаия, при этом на выходе элемента 3 ИЛИ 20 и подключенных к нему входах триггеров 3 и 4 также появляется импульс напряжения, устанавливающий на выходе триггера 3 потенциал логического нуля, а на выходе триггера 4 - потенциал логической единицы, fta всех выходах преобразователя кода 11, а также во всех разрядах счетчика в

задатчике 22 устанавливаются логические нули. В качестве задатчика 22 в пьезоприводе используется цифровой эадатчик перемещения, состоящий из реверсивного счетчика импульсов, на-п бора переключателей, связанныхс его выходами, и блока совпадения. Реверсивный счетчик задатчика 22 сблокирован -но напразленню счета с коммутатором 19, который осуэдествляет выбор направления двяжеяия пьеэопривода. При этом ключ 15 па время, равно длительности установочного импульса, подключает вход бяоха памяти 13 к выходу преобразователя код-напряжение 18. В результате на обоих входах нуль-органа 16 потенциалы выравниваются, и на его выходе возникают прямоугольные колебания, частота которых определяется параметрами генератора компенсации зоны нечувствительности иуль- оргаиа 16. Генератор входит в состав Нуль-органа 16 и на чертеже не показан.

При подаче импульса пуск на клему 26 на выходе триггера 3 и на соединенных с ним входах элементов 3 И 5 и 3 И 7 устанавливается потенциал логической единицы. На выходе триггера 4 устанавливается потенциал логического нуля. С приходом первого же из импульсов с выхода нуль-органа 16 (прохождение которых разрешается во время рабочего хода логической единицей на втором входе элемента 2 И 21) навход триггера 4, он перебрасывается в такое состояние, при котором на его выходе устанавливается потенциал логической единицы; Так как на один из входов триггера 4 подан постоянно потенциал логической единицы, все последукяцие импульсы, поступающие на его первый вход, не иэменят его состояния. Таким образом, переброс состояния триггера 4 по входу синхронизации соответствует равенству напряжений на входах нульоргана 16. С пцественно также и то, что этот переброс происходит только при наличии потенциала логической единицы на выходе ко «4утатора 19, что является необходимым условием для срабатыва1И1я стопорного пьезоэлбмента 10.

При совпадении сигналов иа всех трех входах элемента 3 И 7 срабатывает стопорный пьезоэлемент 10, причем, циклы efX) срабатывания при отработке пьеэоприводом перемещений, многократно превышающих шаг зубчатого элемента, совпадают с циклами сигнала на выходе коммутатора 19.

Переброс триггера 4 по входу синхронизации вцзывает срабатывание одновиОратора 2. При этом на время вьщержки одновибратора 2 запрещается прохождение импульсов с выхода генератора 1 через элемент 3 И 5 на вход преобразователя кода 11. Время выдержки одновибратора 2 несколько превышает длительность переходного процесса срабатывания стопорного пьезоэлемента 10. Этим обеспечивается сохранение величины первого (посл включения) шага в случае, когда на выходе коквлутатора 19 в момент пуска присутствует потенциал логической единицы.

{&тульсы напряжения, поступающие на вход преобразователя кода 11,однО временио поступают и на один из вхоДСФ элемента 3 И 6, однако, на счетч к эадатчика 22 проходят только те из Hutx, которые приходят при срабаФьшанин стопорного пьёэоэлемента 10. Причем при срабатывании избыточных разрядов в распределителе кода Джонсона 11, элемент 2 И - 2 ИЛИ 12 запрещает прохождение упомянутых импульсов и при включенном стопорном пьезоэлементе 10. Таким образом, в счётчике эадатчика 22 накапливаются только те импульсы, после прохождения которых произошло перемещение Исполнительного органа 27.

Количество разрядов преобразователя кода 11 и преббразователя коднапряжение 17 определяется требуемой точностью выхода на позицию исполнительного органа 27 и величиной шага пе ремеще н и я.

Остановка пьезопривода осуществляется автоматически, либо вручную. Автоматическая остановка происходит при равенстве на(бранного в задатчике 22 числа импульсов заданному числу, т.е. величине перемещения некоторой заданной величине. При этом на выходе задатчика 22 появляется импульс напряжения, который через элемент 3 ИЛИ 20 поступает на вход триггера 3 и переводит его в состояние, пр котором на выходе его появляется логический нуль, что запрещает прохождение импульсов напряжения с генератора 1 на распределитель кода Джонсона 11 через элемент 3 И 5. На выходах преобразователя кода 11 при зтом фиксируется состояние, соответствующее текущему значению напряжения на пьёзоэлементе 9, при котором произошла остановка пьезопривода Логический нуль появляется также и н выходе зглемента 3 И 7, один из входов которого соединен с выходом триггера 3, что приводит к запкракшэ ключа 14 и отведению с помощью стопорного пьезоэлемента 10 исполнительного органа 27 при фиксированном напряжении на движущем пьёзоэлементе 9. Кдио 15 на время, равное длительности импульса, выработанного задатчиком 22 (этот импульс поступает через элемент 3 ИЛИ 20 на управляющий вход ключа 15), подключает блок памяти 13 к выходу преобразователя 18. При это на выходе, блока памяти 13 и первом входе нуль-органа 16 появляется напряжение, соответствуюцее выходному напряжению преобразователя код-на-. пряжение 18 в момент остановки пьезопривода. Ручная остановка может бытьi Ьсуществлена в любой момент работы путем подачи импульса напряжения (команда Стоп) на клемму 25 элемента 3 ИЛИ 20, что совершенно аналогично остановке пьезопрнвода при появлении соответствующего импульса на выходе задатчика 22.

0

Для смены направления движения пьезопривода необходимо с помощью коммутатора 19 соединить вход элемента 3 И 7 и соединенный с ним вход элемента 2 И 21 с шестым выходом преобразоsвателя кода 11. На вход задатчика 22 при этом также поступает команда счета в обратном направлении (цепи реверса задатчика 22 на чертеже не показаны ). Необходимо также задать пе0реключателями новую величину перемещения и подать импульс Пуск на клемму 26. При этом на выходе триггера 3 устанавливается потенциал логической единицы, что приводит к появлению импульсов на входе распределителя

5 преобразователя кода 11, а на выходе триггера 4 устанавливается логический нуль, что приводит к сохранению на выходе элемента 3 И 7 логического нуля. Ключ 14 не отпирается, стопорный

0 пь-езоэлемент 10 остается в отведенном состоянии, а элемент 3 И 6, вход которого соединен с выходом элемента 3 И 7, не пропускает импульсы на вход задатчика 22. Таким образом, распре5делитель кода Джонсона 11 интегрирует поступйющие на его вход импульсы, а преобразователь код-напряжение 17 преобразует комбинацию кода на его входах в напряжение, управляю1цее пьезоэлементом 9 при выведенном из за0цепления исполнительном органе 27. Счета импульсов в задатчике 22 не происходит. При заполнении N +1 разряда распределителя преобразователя кода 11 происходит изменение сигналов на его

5 шестом и седьмом выходах на инверсные, что приводит к появлению на выходе элемента 3 И 7 и входе элемента 2 И 21 логической единицы. Напряжения на выходах преобразователей код0напряжения 17 н 18, достигшие максимума, начинают убывать с поступлением каждого последующего импульса на вход распределителя преобразователя кода 11. В момент, когда текущее

5 значение напряжения на выходе преобра ователя код-на-пряжение 18 и напряжение на выходе блока памяти 13 сравняются, нуль-орган 16 вырабатывает сигнал в виде прямоугольных импульсов, поступающий на вход элемен0та 2 И 21, а следовательнои на вход синхронизации триггера 4, так как Иа другом входе элемента 2 И 21 присутствует сигнал с шестого выхода преобразователя кода 11. Триггер 4 перебрасывается в состояние, при котором на его выходе появляется логич.еская единица. При этом состояние выхода элемента 3 И 7 меняется с логическог нуля на единицу, клоч 14 отпирается, подавая напряжение на стопорный пьезоэлемент 10, а одновибратор 2 за прещает прохождение импульсов с генератора 1 на вход распределителя преобразователя кода 11 через элемент 3 И 5 на время, достаточное для срабатывания стопорного пьеэоэлемента 10. После этого распределитель кода Джонсона 11 продолжает интегрировать входные импульсы, а задатчик начинает осуществлять обратный счет (вычитание) до момента автоматической остановки при отработке заданног перемещения, либо до поступления команды Стоп, т.е. совершенно так же как и при прямом направлении движе- НИН. После отработки перемещения сто порный пьезоэлемент 10 вновь выводит ся из зацепления, а в блоке памяти 1 вновь фиксируется величина напряжени на выходе преобразователя код-напряжение 18, при котором произошла оста новка пьезопривода. Изложенная последовательность опе раций соответсвует перемещению движу щего пьезоэлемента 9 по одному и том же частному циклу петли гистерезиса при отработке задания какой угодно величины и направления. Это исключает неоднозначность позиции исполнительного органа 27 при входе в зацепление после остановки в прямом и обратном направлениях. Линеаризация электромеханического преобразования управляющего воздейст вия и компенсация петли гистерезиса исполнительного механизму 8 позволяют получить .высокую точность перемещения без применения датчиков перемещения, положения исполнительного органа и т.п. Это обстоятельство выгодно отличает данный пьезопривод от известных устройств, тем более, что измерение микроперемещений (например в интервалах, измеряемых долями микрон) само по себе представля ет значительные трудности. Низкий уровень магнитных помех и высокая надежность пьезопривода делают его применение наиболее оправ данным в таких приборах, как электронные микроскопы высокого разрешения . Существенным преимуществом предлагаемого пьезопривода является также возможность управления от стандартных вычислительных средств. Формула изобретения Привод, содержащий первый ключ, первый вход которого соединен с источником постоянного напряжения, а выход - с первым входом исполнительного механизма, первый триггер, выход которого соединен с первым входом первого элемента 3 И, второй .вход которого соединен с выходом од-( новибратора, третий вход - с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выход через второй элемент 3 И соединен с входом Зсщатчика и непосредственно с входом преобразователя кода, первый выход которого через первый преобразователь код-напряжение соединен с вторым входом исполнительного механизма, а второй, третий, четвертый и пятый выходы соединены с соответствующими входами элемента 2 И 2 ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента 3 И, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей привода, в нем установлены элемент 3 ИЛИ последовательно соединенные коммутатор, элемент 2 И, второй триггер и третий элемент 3 И и последовательно соединенные второй преобразователь код-напряжение, второй ключ, блок памяти и нуль-орган, второй вход которого через второй преобразователь код-напряжение соединен с первым выходом преобразователя кода, а выход с вторым входом элемента 2 И, второй вход третьего элемента 3 И соединен с выходом KONBviyTaTopa, третий вход с выходом первого триггера, а выход с вторым входом первого ключа и третьим входом второго элемента 3 И, выход задатчика соединен с одним из входов элемента 3 ИЛИ, выход которого соединен с вторыми входами второго ключа и второго триггера и первым входом первого триггера, второй вход которого соединен с третьим входом второго триггера, выход которого соединен с входом одновибратора, шестой и седьмой выходы преобразователя кода соединены с соответствующими входами коммутатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2337200/18-24, кл. G 05 В 11/01, 1976. 2.Авторское, свидетельство СССР по заявке 2344580/18-24, кл. G05 В 11/01, 1976.